本文是继《一文了解有趣的位运算》的第二篇文章.

我们知道,计算机最基本的操作单元是字节(byte),一个字节由8个位(bit)组成,一个位只能存储一个0或1,其实也就是高低电平。无论多么复杂的逻辑、庞大的数据、酷炫的界面,最终体现在计算机最底层都只是对0101的存储和运算。因此,了解位运算有助于提升我们对计算机底层操作原理的理解。

一、加法

两个二进制数异或运算的结果是不考虑进位时的结果,

两个二进制数与运算的结果中含有1的位是有进位的位。

0101 + 0001 = 0110为例分析如下:

//计算 0101 + 0001
0101 ^ 0001 = 0100 //异或结果表明,如果不考虑进位,那么结果为0100
0101 & 0001 = 0001 //与运算结果表明,最低位需要向次低位进1
0001 << 1 = 0010   //与运算结果左移一位,将进位加到高位上

//递归计算 0100 + 0010,直到+号右侧数字为0

java代码:

递归


public static int add(int a, int b) {
   if (b == 0) {
       return a;
   } else {
       return add(a ^ b, (a & b) << 1);
   }
}

循环


public static int add2(int a, int b) {
    int sum = a;
    while (b != 0) {
        sum = a ^ b;
        b = (a & b) << 1;
        a = sum;
    }
    return sum;
}

二、减法

与加法的思路一致,只不过减去一个数等于加一个数的相反数。

例如:5-1 = 5+(-1)。所以,我们只需要求出被减数的相反数即可。

如何求出一个数的相反数?

计算机中存储的是二进制的补码形式,正数的补码与原码相同,负数的补码为对该数的原码除符号位外各位取反,然后在最后一位加1。

例如:

1在计算机中的二进制表示为:0000 0001

-1在计算机中的二进制表示为:1111 1111

计算过程为:

-1的原码:1000 0001

-1的反码:1111 1110

-1的补码:1111 1111

其中,由1的原码(0000 0001)取反可得-1的反码(1111 1110)

总结,一个数的相反数的求法就是该数每一位取反,末位加一。

java代码:

public static int minus(int a, int b) {
    return add(a, add(~b, 1));
}

三、乘法

如果没有思路,可以先在纸上笔算二进制乘法的过程:

        0101    a
    ×   0110    b
    ----------------
        0000
       0101
      0101
   + 0000
    ----------------
     00011110

梳理下笔算二进制乘法的过程:

初始化乘积结果为0,依次遍历数字b的末位 0→1→1→0,当末位为0时,乘积结果加上0,也就是乘积不变,A左移一位;当末位为1时,乘积结果加上A,A再左移一位。

如何遍历数字b的末位呢?

根据前面所学,我们可以使用与运算取一个数的末位,并不断右移数字b,直到数字b==0,即可结束位移。

需要注意的是正负数的符号问题,此处是先对a、b两数的绝对值计算其乘积,最后再确定其符号。

java代码为:

public static int multiply(int a, int b) {
      //将乘数和被乘数都取绝对值
      int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a;
      int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b;
      //计算绝对值的乘积
      int P = 0;
      while (B != 0) {
          if ((B & 1) != 0) { //取乘数的二进制的最后一位,0 or 1
              P = add(P, A);
          }
          A = A << 1;
          B = B >> 1;
      }
      //计算乘积的符号
      if ((a ^ b) < 0) {
          P = add(~P, 1);
      }
      return P;
}

四、除法

最简单的除法实现就是不停的用除数去减被除数,直到被除数小于除数时,此时所减的次数就是我们需要的商,而此时的被除数就是余数。

唯一需要注意的就是商的符号和余数的符号。商的符号确定方式也乘法是一样,即同号为正,异号为负。而余数的符号和被除数的符号是一样的。

和简单的乘法实现一样,这里我们要先对两数的绝对值求商,求余数。最后再确定符号。

public static int[] divide(int a, int b) {
      //对被除数和除数取绝对值
      int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a;
      int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b;
      //对被除数和除数的绝对值求商
      int C = A; // 余数C
      int N = 0; // 商N
      while (C >= B) {
          C = minus(C, B); // C-B
          N = add(N, 1); // N+1
      }
      // 求商的符号
      if ((a ^ b) < 0) {
          N = add(~N, 1);
      }
      // 求余数的符合
      if (a < 0) {
          C = add(~C, 1);
      }
      return new int[]{N, C};
}

需要指出的是,这种算法在A很大、B很小的情况下效率很低,那该如何优化算法减少while循环的次数呢?

不难想到,除法是由乘法的过程逆推而来的。例如 9÷4=2...1,也就是2*4+1=9。假设用9去减4*2,可以得出结果等于1,因为1小于4,那么就可以得出9÷4的商是2,余数是1。

如何确定4的倍数是逼近最终结果的关键。我们知道,int 整型有32位,除首位表示符号位,每一位的大小是 [2^0, 2^1, 2^2, , , 2^30],最大的int整数是2^31-1。所以,我们可以依次将被除数与2^31, 2^30, ...2^3, 2^2, 2^1, 1相乘,如果除数大于它们的乘积,除数就与之相减,并用相减得到的余数继续作为除数,直到循环结束。

java代码:

public static int[] divide(int a, int b) {
    // 对被除数和除数取绝对值
    int A = a < 0 ? add(~a, 1) : a;
    int B = b < 0 ? add(~b, 1) : b;

    int N = 0; // 商 N
    for (int i = 31; i >= 0; i--) {
        // 未使用A>=(B<<i)进行判断,因为只有左移B时舍弃的高位不包含1,才相当于该数乘以2的i次方.
        if ((A >> i) >= B) { // A ÷ 2^i >= B
            N += (1 << i); // N = N + 2^i
            A -= (B << i); // A = A - B*2^i
        }
    }

    int C = A; // 余数C
    // 求商的符号
    if ((a ^ b) < 0) {
        N = add(~N, 1);
    }
    // 求余数的符号
    if (a < 0) {
        C = add(~C, 1);
    }
    return new int[]{N, C};
}

Java位运算实现加减乘除四则运算的更多相关文章

  1. 用Java位运算实现加减乘除四则运算

    转载请注明原文地址:http://www.cnblogs.com/ygj0930/p/6412875.html 感谢博客:http://blog.csdn.net/itismelzp/article/ ...

  2. Java位运算实现加减乘除

    一.加法 a+b 举例实现:13+9=22 13+9不考虑进位结果为12 只考虑进位结果为10 和刚好是22. 13二进制为1101,9二进制为1001. 不考虑进位结果为0100.算式为a^b 只考 ...

  3. 位运算实现加减乘除四则运算(Java)

    [本文版权归微信公众号"代码艺术"(ID:onblog)所有,若是转载请务必保留本段原创声明,违者必究.若是文章有不足之处,欢迎关注微信公众号私信与我进行交流!] 本文是继< ...

  4. Java位运算总结:位运算用途广泛《转》

    前天几天研究了下JDK的Collection接口,本来准备接着研究Map接口,可是一查看HashMap类源码傻眼咯,到处是位运算实现,所以我觉得还是有必要先补补位运算知识,不然代码看起来有点费力.今天 ...

  5. Java位运算总结:位运算用途广泛

    前天几天研究了下JDK的Collection接口,本来准备接着研究Map接口,可是一查看HashMap类源码傻眼咯,到处是位运算实现,所以我觉得还是有必要先补补位运算知识,不然代码看起来有点费力.今天 ...

  6. 我们必须要了解的Java位运算(不仅限于Java)

    本文原创地址为 https://www.cnblogs.com/zh94/p/16195373.html 原创声明:作者:陈咬金. 博客地址:https://www.cnblogs.com/zh94/ ...

  7. Java 位运算2-LeetCode 201 Bitwise AND of Numbers Range

    在Java位运算总结-leetcode题目博文中总结了Java提供的按位运算操作符,今天又碰到LeetCode中一道按位操作的题目 Given a range [m, n] where 0 <= ...

  8. Java位运算原理及使用讲解

    前言日常开发中位运算不是很常用,但是巧妙的使用位运算可以大量减少运行开销,优化算法.举个例子,翻转操作比较常见,比如初始值为1,操作一次变为0,再操作一次变为1.可能的做法是使用三木运算符,判断原始值 ...

  9. (转)java位运算

    转自:http://aijuans.iteye.com/blog/1850655 Java 位运算(移位.位与.或.异或.非)   public class Test { public static ...

随机推荐

  1. AutoCAD .NET: 遍历模型空间

    原文:http://spiderinnet1.typepad.com/blog/2012/06/autocad-net-iterate-through-model-space.html https:/ ...

  2. 记录一则clear重做日志文件的案例

    1.官方文档描述 2.故障报错信息 3.分析解决问题 1.官方文档描述 关于Clearing a Redo Log File的官方文档描述: A redo log file might become ...

  3. 学习 Object-C: 简史

    对于一门语言的历史,我认为写一本书可能都不为过,关键是看你如何介绍和表达.当然每一个人的理解也大相径庭.本文阐述也仅仅只是冰山一角,如果需要深入了解,自己可能需要多花费一些心思. 这里也不会给大家说太 ...

  4. Python利用切片操作,实现一个trim()函数,去除字符串首尾的空格,注意不要调用str的strip()方法:

    这是一个最简单的自定义函数,自己调用自己,我的理解是这样的: 1.传一个s参数进行判断,如果有空字符它会切掉前后的空字符,返回一个新的s,这个新的s还有的话会继续执行这种重复的操作,类似于递归(博主不 ...

  5. 基于 Vue+Mint-ui 的 Mobile-h5 的项目说明

    Vue作为前端三大框架之一,其已经悄然成为主流,学会用vue相关技术来开发项目会相当轻松. 对于还没学习或者还没用过vue的初学者,基础知识这里不作详解,推荐先去相关官网,学习一下vue相关的基础知识 ...

  6. js循环(while循环,do while循环,for循环)相关知识点及练习

    08.循环 1.循环! 循环的作用: 简化代码,处理重复执行的代码 遍历数组.json对象.节点集合 2.while循环 语法: while(循环的条件){ 循环体 } 3.循环的五大要素 循环变量 ...

  7. 五.Linux基础

    Linux是运行在pc机上类似unix风格的操作系统,由众多程序员开发.开放源代码! 由于开放源代码,所以现在的Linux比windows漏洞更少! linux操作系统由内核及应用程序组成,有很多发行 ...

  8. Node.js安装详细步骤教程(Windows版)

    什么是Node.js? 简单的说 Node.js 就是运行在服务端的 JavaScript. Node.js是一个基于 Chrome V8 引擎的 JavaScript 运行环境: Node.js使用 ...

  9. JS之clientWidth、offsetWidth等属性介绍

    一.clientXXX 属性 代码演示 // css 部分 <style> .test{ width:100px; height:100px; border:1px solid red; ...

  10. MySQL运行时自动生成的性能相关的数据参考

      某大师曾说过,一个DBA要像熟悉自己的老婆一样熟悉自己的数据库,个人认为包含了两个方面的熟悉: 1,在稳定性层面来说,更多的是关注高可用.读写分离.负载均衡,灾备管理等等high level层面的 ...